Les trous noirs supermassifs sont parmi les objets les plus fascinants de l’Univers. Ces géants cosmiques dévorent la matière de leur environnement avec une intensité incroyable. Cependant, ce n’est pas seulement leur appétit vorace qui intrigue les scientifiques, mais aussi les jets de plasma qu’ils éjectent. Ces jets, qui peuvent s’étendre sur des milliers d’années-lumière, sont en effet éjectés à des vitesses proches de celle de la lumière. Jusqu’à récemment, les mécanismes exacts derrière leur formation restaient un mystère. Une expérience récente pourrait toutefois bien avoir trouvé une pièce cruciale du puzzle.
Comprendre les jets des trous noirs
Pour saisir l’importance de cette découverte, il est essentiel de comprendre comment les jets des trous noirs se forment. Imaginez un trou noir comme un gigantesque aspirateur cosmique qui aspire tout ce qui se trouve à proximité. La matière en accrétion, composée de gaz et de poussière, forme alors un disque en spirale autour du trou noir. Ce disque est constitué de plasma, une soupe d’atomes ionisés privés d’électrons. Le plasma, attiré par la gravité du trou noir, se rapproche de plus en plus jusqu’à ce qu’une partie soit éjectée à grande vitesse sous forme de jets collimatés. Ces jets sont incroyablement puissants et peuvent voyager sur des distances énormes à travers l’espace interstellaire.
Malgré leur visibilité et leur impact, les scientifiques ont longtemps peiné à comprendre comment ils se forment et restent aussi étroits tout en parcourant des distances si vastes.
Une expérience révélatrice
Pour percer ce mystère, des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory ont mis au point une expérience innovante qui utilise des faisceaux de protons. Dans le détail, les chercheurs ont d’abord utilisé des lasers de haute puissance pour générer un plasma à haute densité. Ces lasers ont été dirigés sur une cible en plastique et ont produit une explosion de particules chargées. En parallèle, des lasers supplémentaires ont déclenché des réactions de fusion nucléaire dans une petite capsule qui contient du deutérium et de l’hélium-3. Ces réactions ont alors produit des rafales de protons et de rayons X.
Pour observer comment le plasma interagit avec les champs magnétiques, les chercheurs ont ensuite dirigé ces protons et rayons X à travers une maille en nickel. Imaginez cette maille comme un tamis très fin qui filtre les protons en faisceaux distincts. En observant ces faisceaux, les scientifiques pouvaient analyser comment le plasma interagit avec le champ magnétique environnant. Les rayons X étant non chargés, ils traversent la maille sans être affectés par le champ magnétique, fournissant une image claire et non déformée du plasma.
Ce que nous avons découvert
L’expérience a révélé des résultats fascinants. En observant l’interaction entre le plasma et le champ magnétique, les chercheurs ont en effet découvert que le plasma provoque des instabilités dans le champ magnétique, connues sous le nom d’instabilités magnéto-Rayleigh-Taylor. Elles créent des structures tourbillonnantes dans le champ magnétique qui ressemblent à des tourbillons ou des formes de champignons.
Lorsque l’énergie du plasma diminue, les lignes de champ magnétique se rétractent en concentrant le plasma en une colonne étroite. Ce phénomène est similaire à la façon dont les jets relativistes des trous noirs se forment et se dirigent dans l’espace. Cette découverte est particulièrement significative, car elle confirme une hypothèse ancienne selon laquelle ces instabilités magnétiques jouent un rôle crucial dans la formation des jets. En observant directement ces instabilités, les scientifiques ont pu démontrer que les jets observés autour des trous noirs sont le résultat de la manière dont le plasma en expansion interagit avec les champs magnétiques.
Pourquoi c’est important
Cette avancée est importante pour plusieurs raisons fondamentales. Premièrement, elle offre une explication tangible et basée sur des observations pour la formation des jets relativistes émis par les trous noirs supermassifs. Jusqu’à présent, la compréhension de ces jets reposait en effet sur des théories et des modèles qui, bien qu’impressionnants, étaient encore partiellement spéculatifs. Les observations directes des instabilités magnéto-Rayleigh-Taylor dans le plasma fournissent désormais un lien direct entre les processus de champ magnétique et la formation des jets. Cela aide à combler un vide crucial dans notre compréhension des mécanismes qui contrôlent ces jets colossaux en fournissant des preuves expérimentales pour des phénomènes jusque-là seulement modélisés théoriquement.
Deuxièmement, cette découverte améliore considérablement la précision des modèles astrophysiques utilisés pour simuler les jets de plasma dans les environnements extrêmes des trous noirs. Avant cette expérience, les simulations étaient souvent basées sur des hypothèses théoriques et des approximations qui ne pouvaient pas capturer pleinement les détails complexes de l’interaction entre le plasma et le champ magnétique. En fournissant des données expérimentales concrètes sur la manière dont ces éléments interagissent, les chercheurs permettent aux astrophysiciens d’affiner et d’améliorer leurs modèles. Cela aura donc des implications profondes pour la façon dont nous comprenons non seulement les jets des trous noirs, mais aussi d’autres phénomènes astrophysiques similaires comme les jets produits par les étoiles à neutrons et les pulsars.
Les résultats ont été publiés le 27 juin dans la revue Physical Review Research.
